水稻抗白叶枯病基因Xa23的进化机制及XA23与HR功能相关的重要氨基酸的分析

摘要

由黄单胞菌水稻致病变种(Xanthomonas oryzae pv oryzae，Xoo)引起的水稻白叶枯病是极具破坏力的细菌性病害。水稻白叶枯病抗性基因Xa23对现有国内外鉴别的白叶枯病菌系都展现出完全显性、全生育期的高抗性反应，具有极大的利用价值。Xa23属于Executor抗性基因，其启动子上的EBEAvrXa23可以与Xoo中广泛存在的无毒效应因子AvrXa23结合，从而诱导Xa23基因的转录表达。Xa23编码蛋白在被侵染宿主细胞内产生HR反应，直接杀死被侵染的细胞来限制细菌在寄主体内的继续繁殖，从而有效抵抗白叶枯病菌的进一步侵害。
　　本论文包括两部分第一部分是探索Xa23基因的进化路径和进化机制，第二部分是寻找XA23蛋白序列中与HR功能相关的氨基酸/元件，并对相关氨基酸残基的性质进行功能分析。获得的主要结果如下:
　　关于Xa23基因的进化路径和进化机制的研究.
　　1.Xa23等位基因仅在稻属中出现，且其编码区序列具有极高同源性。
　　2.天然栽培稻中没有EBEAvrXa23的存在，即显性抗病基因Xa23只存在于野生稻。
　　3.在278个具有代表性的水稻材料中仅发现97个具有Xa23/xa23基因，推测Xa23/xa23在稻属中并不是广泛存在的。
　　4.Xa23/xa23等位启动子的核苷酸序列多样性明显高于其编码区，被归纳为五种单倍型（Pro-A/B/C/D/E），其中Pro-A是唯一含有EBE AvXa23的Xa23单倍型，且仅有单倍型Pro-A具有抗病功能。这五种单倍型在地理分布上没有显著差异，单倍型Pro-A只存在于野生稻中，而Pro-B/C/D/E四种单倍型在野生稻和栽培稻中均有分布，其中单倍型Pro-B的比例最高(268％)。
　　5.Xa23起源于普通野生稻，在水稻驯化和育种过程中可能发生了瓶颈-奠基者效应(bottleneck effect)。
　　关于XA23蛋白序列中与HR功能相关的氨基酸/元件的研究:
　　6.所有的Xa23等位基因编码的氨基酸序列都预测有3个跨膜结构域，且跨膜结构域序列的保守性最高。
　　7.Xa23及其同源基因编码的蛋白均能够引起烟草叶片的HR反应，证明Xa23及其同源基因中含有的与HR功能相关的序列/元件保守性和完整性较高。
　　8.XA23氨基端（N-）的第1-6个氨基酸、羧基端（C-）倒数第1-9个氨基酸是HR相关必需氨基酸位点，且临界点处氨基酸的酸碱性质发生改变不影响HR表型，任一跨膜结构域序列的氨基酸突变都会影响HR表型，证明了3个跨膜结构域的完整性是XA23激发HR功能的重要决定因素。
　　总之，本研究克隆了在稻属中高度保守的Xa23同源基因并探讨了Xa23基因的起源和进化机制;同时，在氨基酸水平上，寻找到XA23氨基酸序列中与HR功能相关的重要氨基酸。这些研究结果对未来发现更多的Executor抗病基因和简化Executor抗性蛋白结构具有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 水稻白叶枯病及其病原菌

1．1．1 病原菌的分泌系统及致病因子

1．1．2 Ⅲ型分泌系统致病因子研究

1．2 病原菌的致病因子及植物的免疫防卫机制

1．2．2 类转录激活效应子(TALE)的结构

1．2．3 类转录激活效应子(TALE)的功能

1．2．4 类转录激活效应子(TALE)与寄主靶标基因的分子互作

1．2．5 黄单胞杆菌TALE的应用

1．3 水稻抗白叶枯病基因研究

1．3．1 植物对病原菌防卫机制

1．3．2 水稻抗白叶枯病基因研究进展

1．4 遗传多态性及选择方向检测

1．4．1 群体遗传多态性的概念

1．4．2 选择方向的统计检验

1．5 植物抗病基因的分子进化

1．5．2 Avr-R直接互作模式的共进化关系研究

1．5．3 Avr-R间接互作模式的共进化关系研究

1．6 本研究的立题依据和意义

第二章 Xa23抗病基因的进化机制研究

2．1 材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．2 结果与分析

2．2．1 Xa23在不同物种中的同源基因检索

2．2．2 Xa23及其等位基因的单倍型和核苷酸多态性

2．2．3 Xa23及其等位基因编码区序列多样性与白叶枯病抗病表型之间的关系

2．2．4 Xa23及其等位基因启动子单倍型与水稻抗白叶枯病表型的关联

2．2．5 栽培稻和野生稻中Xa23及其等位基因的系统地理位置分析与遗传多样性

2．3 讨论

第三章 水稻抗白叶枯病蛋白XA23与HR功能相关的重要氨基酸解析

3．1 材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验方法

3．2 结果与分析

3．2．1 Xa23基因在稻属中的同源基因与结构预测

3．2．2 XA23-CBB23及其同源蛋白诱导本生烟草细胞死亡

3．2．3 氨基端、羧基端和三个跨膜结构域的突变均对XA23在本生烟中诱导的HR表型产生重要影响

3．3 讨论

第四章 全文结论

参考文献

附录

致谢

作者简历